چرخاندن نور با کوچک‌ترین ژیروسکوپ نوری جهان

مترجم: رضا محمدی
ژیروسکوپ‌ها وسایلی هستند که به وسایل نقلیه، پهپاد‌ها و ابزار‌های الکترونیکی قابل تعبیه در بدن و قابل حمل کمک می‌کنند در فضای سه بعدی جهتشان را تشخیص دهند. آن‌ها تقریباً در تمام بخش‌های فناوری که ما در هر روزمان به آن‌ها متکی هستیم، حضور فراوان دارند. ژیروسکوپ‌ها در اصل مجموعه‌هایی از چرخ‌های روی هم سوار شده بودند که هر کدام روی محور متفاوتی می‌چرخیدند. اما امروز اگر یک موبایل را باز کنید، یک حسگر میکروالکترونیکال خواهید دید که معادل به روز و مدرن آن است؛ حسگری که تغییرات در نیرو‌هایی را که بر دو حجم مشابه در حال نوسان هستند و در جهت مخالف حرکت می‌کنند، اندازه می‌گیرد. ژیروسکوپ‌ها (MEMS) از نظر حساسیت محدود هستند، به همین دلیل ژیروسکوپ‌های نوری ساخته شده‌اند تا همان وظیفه را بدون داشتن هیچ بخش در حال حرکتی و با میزان دقت بیشتری با استفاده از پدیده‌ای که اثر ساگناک نامیده می‌شود، انجام دهد.

اثر ساگناک که نام فیزیکدان فرانسوی جرج ساگناک را بر خود دارد، یک پدیده نوری است که ریشه در نظریه نسبیت عام انیشتین دارد. برای خلق کردن این اثر، یک پرتو نور به دو بخش تقسیم می‌شود و سپس این پرتو دوگانه در جهت‌های مخالف در امتداد مسیری مدور ادامه مسیر می‌دهند تا اینکه در یک آشکارساز نوری یکسان به هم برسند. نور با سرعتی ثابت حرکت می‌کند، در نتیجه چرخش دستگاه – و مسیری که نور در آن حرکت می‌کند – موجب می‌شود که یکی از دو پرتو، پیش از دیگری به آشکارساز نوری برسد. با وجود لوپ در هر کدام از محور‌های جهت‌گیری، این تغییر فاز که با عنوان اثر ساگناک شناخته می‌شود، می‌تواند به منظور محاسبه کردن جهت‌گیری مورد استفاده قرار بگیرد.

کوچک‌ترین ژیروسکوپ‌های نوری با کارکرد عالی که امروزه موجود هستند از یک توپ گلف بزرگ‌تر هستند و برای بسیاری از ابزار‌های قابل حمل مناسب نیستند. همان قدر که ژیروسکوپ‌های نوری در ابعاد کوچک‌تر و کوچک‌تر ساخته می‌شوند، سیگنالی که اثر ساگناک را دریافت می‌کند نیز کوچک و کوچک‌تر می‌شود که در نتیجه آن تشخیص دادن حرکت برای ژیروسکوپ دشوار‌تر می‌شود. تا به الآن، این موضوع مانع از ریز‌سازی کردن ژیروسکوپ‌های نوری شده است.

چگونه کار می‌کند

ژیروسکوپ جدید آزمایشگاه هاجیمیری با استفاده از یک تکنیک جدید که «بهسازی حساسیت دوجانبه» نامیده می‌شود به این عملکرد بهبودیافته دست پیدا می‌کند. در اینجا «دوجانبه» به این معناست که هر دو پرتو نور درون ژیروسکوپ را به شکل مشابه متأثر می‌سازد. از آنجا که اثر ساگناک بر تشخیص دادن تفاوت میان دو پرتو در زمانی که در جهت‌های مخالف حرکت می‌کنند، متکی است، به همین دلیل غیر دوجانبه محسوب می‌شود. درون ژیروسکوپ، نور از میان موج بر‌های (سیم راه‌های کوچکی که نور را حمل می‌کنند، آن‌ها همان کاری را می‌کنند که سیم برای برق انجام می‌دهد) نوری ریز‌سازی شده حرکت می‌کند. عیب و نقص در مسیر نوری که ممکن است پرتو‌ها را متأثر سازد (برای نمونه، نوسانات حرارتی یا به طور نامنظم پراکنده شدن نور) و هر مداخله خارجی هر دو پرتو را به طور مشابه تحت تاثیر قرار می‌دهد.

محققان راهی پیدا کردند تا مشکل این نویز‌های دوجانبه را حل کند و در عین حال سیگنال‌های اثر ساگناک نیز دست نخورده باقی بماند. در نتیجه بهسازی حساسیت دوجانبه نسبت سیگنال به نویز را در سیستم بهبود می‌بخشد و ادغام ژیرو نوری درون یک چیپ کوچک‌تر از یک دانه برنج را امکانپذیر می‌سازد.
منبع:ساینس دیلی